直流电机无极调速系统课程设计.docx
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直流电机无极调速系统课程设计
电力电子工程设计报告
题目：
直流开环调速系统
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指导老师：
第1章前言-2-
第2章原理框图及电路设计-3-
2.1原理框图-3-
2.2系统电路设计-4-
第3章整流电路-6-
3.1三相桥式全控整流电路原理-6-
3.2三相桥式全控整流电路图-8-
3.3整流变压器电路-8-
第4章控制电路-9-
4.1电路结构-9-
4.2ASR调节器电路-9-
4.3触发电路-10-
4.4驱动放大电路-14-
第5章保护电路-15-
5.1保护电路的意义-15-
5.2过电流保护电路-15-
5.3过电压保护电路-16-
5.4滤波电路-16-
第6章元件参数计算及选型-18-
6.1已知数据-18-
6.2参数计算-18-
第7章总结-20-
附录-21-
元件清单-22-
第1章前言
电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，开发出许多包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等电路。
利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整
机，称为电力电子装置。
这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。
电机的调速系统就是其中一种，它包含直流调速系统和交流调速系统两种，交流调速系统局限性比较大，而相比之下，虽然直流电机价格高、结构复杂、维修难，不过，它具有良好的起动制动性能，并且更容易做到较宽范围内的平滑调速，所以，直流调速系统是电机自动调速系统的主要形式。
此次工程设计的题目是能够运用于集成PCB板的直流电机开环调速系统，主要内容包括原理的分析，主电路设计，控制电路设计，保护电路设计，元件参数计算和PCB板图绘制等。
该系统为无极调速，采用降电压调速方式，主电路接入三相交流电，通过整流电路整流后连接电机。
在此系统中，采用晶闸管整流，整流电路采用三相桥式全控整流，其六脉波整流方式能够使波形更加平稳。
过电压保护采用RC过电压抑制电路，过电流保护采用快速熔断器。
三项全控桥整流电路触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块构成，形成六路双脉冲。
触发电路通过控制晶闸管的开断时间控制整流端的电压输出，从而控制直流电机转速。
我们团队在完成这次设计任务中，分工合作，共同努力解决难题，从中既学到了很多专业知识，又明白了团队分工合作的重要性。
这次工程设计对我们能力有很大的提升，感谢指导老师对我们提供的帮助。
第2章原理框图及电路设计
2.1原理框图
图2-1系统原理框图
2.2系统电路设计
主电路主要包括：
电网输入，变压器，过电压保护，过电流保护，三相桥式全控整流电路，以及负载部分（如电动机）；控制电路主要包括：
ASR调节电路、触发电路、驱动放大电路。
通过各个部分的有机结合在一起，就构成了一个晶闸管整流直流调压电路。
具体地，主电路采用三相桥式全空整流的形式，将三相交流电转换为直流电。
ASR调节电路及PI
调节器用芯电阻和电容构成，它的作用是放大给定信号与反馈信号之差转化为触发电路的移相控制信号。
触发电路为TC787集成触发器；驱动放
大电路由三极管、二极管以及变压器组成；保护电路又分为电压保护电路和电流保护电路，电压保护采用RC电路，用熔断器来对电路进行电流保护。
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图2-2系统原理图
第3章整流电路
3.1三相桥式全控整流电路原理
整流方式多种多样，但目前在各种整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路。
三相桥式全控整流电路是通过六个晶闸管和足够大的电感把电网的交流电转化为直流电而供给电机使用的，它可以通
过调节触发电路的控制电压UCO改变晶闸管的控制角a，从而改变输出电压Ud和输出电流Id来对负载进行控制。
整流电路在接入电网时由于变压器一次侧电压为380V,—般都大于负载的额定电压，所以选用降压变压器，为得到零线，变压器二次侧必须接成星型，而一次侧接成三角形，这样可以避免三次谐波电流流入电网，减少对电源的干扰。
三相桥式整流电路带阻感负载运行时，当触发角小于60度时，其波
形与带电阻负载相同，波形如图：
at
图3-1触发角为0度时的波形图
图3-2触发角为30度时的波形图
当触发角大于60度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，
电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作
用,ud波形会出现负的部分。
图2-4给出了a=90度时的波形。
若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。
这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90度。
图3-2触发角为90度时的波形图
3.2三相桥式全控整流电路图
下图为三相全控桥整流原理图，其中阴极连在其的3个晶闸管VT1,
VT3，VT5为共阴极组，阳极连在一起的VT2，VT4，VT6称为共阳极组。
晶闸管按从1到6的顺序经过控制电路发出的脉冲依次导通。
图3-3三相全控桥整流电路
3.3整流变压器电路
为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低，为避免三次谐波电动势的不良影响，应采用厶/Y接法。
下图为整流变压器电路。
图3-4三相全控桥整流电路
第4章控制电路
4.1电路结构
控制电路主要包括：
ASR调节电路、触发电路、驱动放大电路。
其中ASR调节电路主要采用的是PI调节器，他的作用主要是实现对输入和输出电压进行反馈调节，使电路输出得到一个稳定的电压。
因为PI调节
器的性能比较好，在显示电路中得到广泛的采用，所以我采用了这种调节器。
触发电路是是整个控制电路中的核心电路，他的主要作用是产生对晶
闸管的触发脉冲，同时通过控制控制触发角的大小来控制整流直流电压的输出大小，从而得到我们具体所需要的电压和电流。
驱动放大电路的主要功能是把触发电路发出的触发脉冲信号进行放大，最终驱动晶闸管的的导
通和关断，最终实现对整个主电路的控制。
这就是控制电路。
4.2ASR调节器电路
ASR调节器是一种比例积分放大电路。
大器由LM324芯片提供，再用电阻和电容与其引脚以一定的方式连接构成一个比例积分放大电路。
PI
调节器可以分为两个环节，一过热环节是比例放大环节，另一个环节是积分放大环节，比例环节的作用是对大给定信号与反馈信号之差进行放大再输入触发电路产生触发脉冲去控制晶闸管的触发角度从而控制输出电压，积分环节的作用是实现无静差，稳定输出电压。
要改变输出电压的大小，只要改变给定电压的大小即可。
具体的连接电路图如图4-1。
图4-1ASR调节器电路
4.3触发电路
（一）TC787的内部结构
TC787的内部结构及工作原理框图如图4-2所示，其内部集成有3个过零和极性检测单元，3个锯齿波形成单元，3个比较器，1个脉冲发生器，1个抗干扰锁定电路、1个脉冲形成电路，1个脉冲分配及驱动电路。
他们的工作原理可简述为：
经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部3个恒流源的控制信号，3个恒流源输出的恒值电流给3个等值电容Ca,Cb，Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波，锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得
交相点，该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出，该交相信
号与脉冲发生器输出的脉冲信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入
同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。
假设系统未发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁
止端的信号无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲（引脚6为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁止信号有效，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成电路的6个引脚12,11，10，9,8,7输出全为低电平。
（二）TC787的引脚功能
1）同步电压输入端：
引脚1（Vc）、引脚2（Vb）及引脚18（Va）分别为三相同步输入电压连接端，应用中分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC788的工作电源电压VDD。
2）脉冲输出端：
在半控单脉冲工作模式下，引脚8（C）、引脚10（B）、
引脚12（A）分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7（-B）、引脚9（-A）、引脚11（-C）分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。
当TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端，引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚7为与三相同步电压中B相
电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚10为与三相
同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端，应用中均接脉冲功率放大环节或脉冲变压器。
3）控制端
①引脚5（Pi）为输出脉冲禁止端。
该端用来进行故障状态下圭寸锁TC788的输出，高电平有效，应用中接保护电路的输出。
②引脚14（Cb）、引脚15（Cc）、引脚16（Ca）分别为对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。
该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过
一个相同容量的电容接地。
3引脚6（Pc）为TC788工作方式设置端。
当该端接高电平时，TC788输出双脉冲；而当该端接低电平时，输出单脉冲。
4引脚4（Vr）为移相控制电压输入端。
该端输入电压的高低，直接决定着TC788输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为TC788的工作电源电压VDD。
5引脚13（Cx）。
该端连接的电容Cx的容量决定着TC788输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。
4）电源端：
TC788可单电源工作，亦可双电源工作。
单电源工作时引脚3（VSS）接地，而引脚17（VDD）允许施加的电压为8~18V。
双电源工
作时，引脚3（VSS）接负电源，其允许施加的电压幅值为-4~-9V，引脚17（VDD）接正电源，允许施加的电压为+4~+9V
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图4-3TC787的引脚
（三）触发电路原理图
图4-4触发电路原理图
4.4驱动放大电路
图4-5驱动放大电路
第5章保护电路
5.1保护电路的意义
电力电子装置受所用器件性能的影响，承受过电压、过电流的能力比较差（例如电动机、变压器等，通常可在几倍的额定电流下工作几秒钟或几分钟，而在同样条件下电力电子器件只要0.1秒或更短的时间就已损
坏）。
为了提高电力电子装置的可靠性，除了设计时合理选择电力电子器件的电流、电压容量外，还需采取与一般电工设备不同的一些保护措施，以防止电力电子器件的过电流、过电压损坏。
5.2过电流保护电路
过载电流流过电力电子器件时会使器件温度迅速上升，如不及时切断
或限制过电流，很快就会使器件因温度过高而损坏。
过载电流越大，器件能承受过电流的时间越短。
这里采用快速熔断器，与电力电子器件直接串联。
快速熔断器必须在晶闸管损坏以前熔断，才能起保护作用。
普通熔断
器因熔断时间较长，不能用于电力电子器件的过电流保护。
快速熔断器用一定形状的银质或铝质熔丝，周围充以石英砂，在过电流流过时，其熔断时间通常在20毫秒以内。
5.3过电压保护电路
由于交流侧电路在接通或断开时出现暂态过程，会产生操作过电压。
高压合闸的瞬间，由于初次级之间存在分布电容，初级高压经电容耦合到次级，出现瞬时过电压。
措施：
在三相变压器次级星形中点与地之间并联适当电容，就可以显著减小这种过电压。
与整流器并联的其它负载切断时，因电源回路电感产生感应电势的过电压。
变压器空载且电源电压过零时，初级拉闸，因变压器激磁电流的突变，在次级感生出很高的瞬时电压，这
种电压尖峰值可达工作电压的6倍以上。
交流电网遭雷击或电网侵入干扰过电压，即偶发性浪涌电压，都必须加阻容吸收路进行保护。
一般加快速
熔断器进行保护，实际上它不能保护可控硅，而是保护变压器线圈。
具体的图形如图5-2：
5.4滤波电路
滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。
电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平
滑。
因此，滤波效果取决于放电时间常数。
电容C愈大，负载电阻RL愈
大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大。
其电路图如下：
图5-3滤波电路
第6章元件参数计算及选型
6.1已知数据
1）直流电机：
Un=220V,In=8.7A，额定转速为1500转；
2）最过载倍数：
入=2
6.2参数计算
（1）整流器主电路的设计
Pd=Ud*ld=220*305=67.1kw
因为Pd>5kw，所以采用三相桥式整流电路且带整流变压器
（2）晶闸管的选择
1.电流参数的选取
IT=（1/错误！
未找到引用源。
1.732）*ld=305/1.732〜176（A）
ITa=IT/1.57"112（A）
取安全裕量Kf=2,则所选晶闸管的电流值为：
I=2*ITa=224（A）
2.电压参数的选取
在三相桥式整流电路中，晶闸管所承受的电压极值为根号6倍U2,其中U2其中变压器二次侧相电压有效值.
由Ud=2.34U2COSa可得:
U2=Ud/2.34COSa其中Ud=300Va取零度
U2min=Ud/2.34COS0=220/2.34~94V
因为U2存在15%的波动
所以U2=U2min/0.85=111V
所得晶闸管的电压值为它的根号6倍，即2.45倍
2.45*111=272V
取安全裕量Kf=2,则晶闸管的电压值为544V
所以晶闸管选kp100-400
（3）变压器的设计
变压器副边容量的计算
由负载要求ld=（A）
I2=（1.414/1.732）*ld〜249（A）
已知U2=111V
有S2=3U2I2=3*111*249〜82.917KVA
因为是三相桥式电路所以S1=S2=82.917KVA
I1=U2I2/U1=111*249/380〜72.7（A）
n1/n2=U1/U2=380/111~3.4
取I1=73AU1=380VI2=249AU2=111VS=82.917KVA
熔断器选80A.
（4）滤波电容选择
C一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000幷以上。
因该系统负载不大，故取C=2200^F
耐压1.5Udm=1.5*544=816V取800V
即选用2200呻、800V的电容
（5）续流二极管的选择
根据Urm=（2~3）Us
Icm=（1.5~2）人
得知续流二极管应选500A、额定电压为500V的二极管
第7章总结
经过这次设计，我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
而且通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
直流电机整流电路在生产生活中运用很多，本次设计的目的是实现的是一种可控整流，是把交流电变成大小可调的直流电的过程，它是变流技
术的基础。
本次团队工作，整流电路是摆在我们面前的第一个任务，其次,晶闸管的参数，变压器的容量，过电压保护的电阻和电容参数等等。
在参数确定后就根据参数选用型号。
最后，把选取的各型号器件案总体设计方案连接起来组成电路。
当然，我们设计的电路有很多理想化的环节，很多只是停留在理论的分析上，也通过少时的模拟实验。
在这次课程设计中，我不仅在专业课题上有了更多的认识，同时，我体会到了实践操作和理论相结合的重要性，我学到了，团队分工合作能产生更大的效率。
课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，也是对自己能力的一种提高，学习是一个长期积累的过程。
更培养了独立思考和设计的能力，在以后的工作和生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质，并将理论与实际相结合。
最后，感谢学校和老师给我们提供的良好平台，也感谢老师的宝贵意见，通过这次课程设计，我收获很大。
附录
参考文献
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2.王兆安黄俊.电力电子技术（第4版）.机械工业出版社，2000
3•浣喜明姚为正.电力电子技术.高等教育出版社，2000
4.莫正康.电力电子技术应用（第3版）.机械工业出版社，2000
5.郑琼林.耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社，1996
6.刘定建朱丹霞.实用晶闸管电路大全.机械工业出版社，1996
7.刘祖润胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社，1995
&刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内，1999
9.李晓秀沈细群胡彗.自动控制原理实验指导.校内，2005年9月
10.电力电子技术网站：
（1）www_ic37_com.htm
（2）liuxianli_2002
1998
-网易
博客.htm（3）实验装置-中电网.htm
元件清单
1
元件清单
2
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3
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1
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电容
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电容
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3
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电容
0,OluF
3
12
电容
0.luF
13
电容
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2
14
开关
3
15
变压器
380v/220v
16
变压器
22Ov/10v
1
17变压器
380v/110v
1
1S
电抗器
lOmH
1
19
熔断器
10A
3
20
熔断器
6A
6
21
二极管
18
22
电位器
WlrSlO欧姆微调电阻
7
23
整流桥
Pl、P2aP3>RS308
2
24
三极管
6
23
升级会员 